Deutsche Physiker haben gemeinsam mit Forscherkollegen aus Argentinien und Großbritannien erstmals sogenannte magnetische Monopole in Experimenten nachgewiesen. Diese hypothetischen Teilchen bilden nur den Nord- oder den Südpol eines Magneten ? im Gegensatz zu den als Spielzeug beliebten Stab- oder Hufeisenmagneten, bei denen sich Nord- und Südpol nicht trennen lassen. Die Existenz solcher magnetischer Monopole hatte der britische Physiker Paul Dirac bereits 1931 aufgrund theoretischer Überlegungen vorhergesagt. Seither versuchen Wissenschaftler das Phänomen auch experimentell nachzuweisen. Die Entdeckung der Forscher um Jonathan Morris könnte neue Einblicke in das Wesen der Materie gewähren.
Wer sich die Mühe macht, mit der Eisensäge einen Stabmagneten in der Mitte auseinanderzusägen, erlebt eine böse Überraschung: Der ursprüngliche Nordpol auf der einen Seite des Stabes lässt sich so zwar zunächst vom gegenüberliegenden Südpol trennen, doch aus den Einzelteilen entstehen augenblicklich zwei neue Stabmagneten mit Nord- und Südpol. Auf diese Weise lassen sich also keine einzelnen magnetischen Pole herstellen. Dennoch glaubte der Physiker Paul Dirac an die Existenz solcher magnetischer Monopole als hypothetische Teilchen des Magnetfelds. Leiten ließ sich der Mitbegründer der Quantentheorie dabei nicht zuletzt von Symmetriebetrachtungen: Bei der anderen elementaren Größe der Elektrodynamik, der elektrischen Ladung, ist nämlich genau diese Trennung möglich: Die elektrischen Ladungsträger, die Elektronen, existieren auch einzeln und zeigen sich damit als elektrische Monopole. Somit sollte ein solches Phänomen auch bei magnetischen Feldern möglich sein.
Im Experiment fündig wurden nun die Forscher um Morris: Sie untersuchten in ihrer Arbeit einen Kristall aus Dysprosiumtitanat ? einem Material, das wegen seiner dem Wassereis ähnlichen magnetischen Eigenschaften auch “Spin-Eis” genannt wird. Die Wissenschaftler beschossen dieses Spin-Eis mit Neutronen, die an der Kristallstruktur gestreut wurden, woraus die Forscher Rückschlüsse auf dessen magnetische Strukturen ziehen konnten. In Computersimulationen machten die Physiker diese verschlungenen und ineinander verdrehten Strukturen sichtbar, die daher auch als “Spin-Spaghetti” bezeichnet werden. Durch das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes brachten die Forscher diese Spaghetti dazu, sich teilweise zu entwirren, wobei sich an den Enden der Spaghetti magnetische Monopole bildeten. Diese magnetischen Monopole beeinflussten die physikalischen Eigenschaften des Materials, konnten die Wissenschaftler in weiteren Versuchen nachweisen.
Wir reden hier von neuen, grundlegenden Eigenschaften von Materie, erklärt Morris die Bedeutung der Versuche. Für die Entwicklung neuer Technologien könnte dieses Wissen große Auswirkungen haben, erläutert der Physiker. Denkbar wären beispielsweise Anwendungen bei der Entwicklung von Kunststoffen oder Nanomaterialien, in denen ähnliche Strukturen entstehen können wie im “Spin-Eis”.
Jonathan Morris ( Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie in Berlin) et al.: Science (Online-Vorabveröffentlichung, doi: 10.1126/science.1178868). ddp/wissenschaft.de – Ulrich Dewald
